論文の概要: Fast simulation for optical systems addressing the curse of
dimensionality of multi-photons in quantum mechanics
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2302.13953v2
- Date: Tue, 28 Mar 2023 01:24:02 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-03-29 18:32:28.402635
- Title: Fast simulation for optical systems addressing the curse of
dimensionality of multi-photons in quantum mechanics
- Title（参考訳）: 量子力学における多光子次元の呪いに対処する光学系の高速シミュレーション
- Authors: Junpei Oba, Seiji Kajita, Akihito Soeda
- Abstract要約: 複数の光子上の時間進化作用素を、単一の光子に作用する時間進化作用素のグループに分解する。
提案手法は,光子の空間伝播を可視化し,量子化技術の実験設計を支援する知見を提供する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.2891210250935143
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Photons are an elementary particle of light, whose detailed understanding
plays a key in unraveling the mysteries of quantum mechanics. However, its
counter-intuitive quantum nature makes it challenging to gain insights into its
dynamics, particularly in complex systems. Simulation is a promising tool to
resolve this issue, but previous methods are limited by the curse of
dimensionality, namely, that the number of bases increases exponentially in the
number of photons. Here we mitigate this dimensionality scaling by focusing on
optical system composed of linear-optical objects. We decompose the time
evolutionary operator on multiple photons into a group of time evolution
operators acting on a single photon. Since the dimension of a single-photon
time evolution operator is exponentially smaller than that of a multi-photon
one in the number of photons, the decomposition enables the multi-photon
simulations to be performed at a much lower computational cost. We apply this
method to basic single- and multi-photon phenomena, such as Hong-Ou-Mandel
interference and violation of the Bell-CHSH inequality, and confirm that the
calculated properties are quantitatively comparable to the experimental
results. Furthermore, our method visualizes the spatial propagation of photons
hence provides insights that aid experiment designs for quantum-enabled
technologies.
- Abstract（参考訳）: 光子は光の基本粒子であり、その詳細な理解は量子力学の謎を解く上で鍵となる。
しかし、その直観に反する量子の性質は、その力学、特に複素系に対する洞察を得ることを困難にしている。
シミュレーションはこの問題を解決するための有望なツールであるが、以前の手法は次元の呪い、すなわち光子数でベース数が指数関数的に増加することによる制限がある。
本稿では,線形光学対象からなる光学系に着目して,この次元スケールを緩和する。
複数の光子上の時間進化作用素を、単一の光子に作用する時間進化作用素のグループに分解する。
単一光子時間発展演算子の次元は光子数において多光子演算子の次元よりも指数関数的に小さいので、この分解により多光子シミュレーションは計算コストをはるかに低くすることができる。
本手法は,Hong-Ou-Mandel干渉やBell-CHSH不等式違反などの基本的な単光子・多光子現象に適用し,計算特性が実験結果と定量的に比較できることを確認する。
さらに,光子の空間伝播を可視化し,量子化技術の実験設計を支援する知見を提供する。
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